• traitement des membranes ( concentrat )

    Concentrats.Le concentrat et les solutions de lavage uséesLa nature exacte du concentrat dépend :
    • des caractéristiques de l'eau brute,
    • du prétraitement,
    • des membranes,
    • du taux de conversion.
    Les concentrats sont moins turbides que l'eau brute (en ce qui concerne, du moins, l'eau karstique ou l'eau de surface) parce qu'ils ont été prétraités. Ils concentrent cependant, toutes les espèces dissoutes de l'eau brute ainsi que les produits chimiques nécessaires au prétraitement (acides et/ou agents anti-colmatage). Cette concentration dépend du taux de rétention et de conversion. Le facteur de concentration, par exemple, est de 5 pour un taux de rétention de 100% et un taux de conversion de 80%.
    L'American Water Works Association Research Foundation (AWWARF) a commandité une étude complète sur les caractéristiques des concentrats et les méthodes d'élimination (Mickley et al ,1993). L'élimination du concentrat dans les stations de NF et d'OI est un problème majeur aux États-Unis, où l'on considère que les concentrats sont des déchets industriels qui doivent être testés et caractérisés comme tels. Dans un certain nombres d'études d'impact, les bioessais sur les concentrats se sont avérés négatifs, soit à cause de la présence d'H
    2S, soit à cause du manque d'oxygène ou parce que les micro-organismes n'étaient pas adaptés au milieu.


    Les auteurs de l'étude commanditée par l'AWWARF expliquent certains de ces échecs par un "déséquilibre ionique", c'est-à-dire par la différence de composition ionique entre le concentrat et l'environnement dans lequel les organismes du bioessai se sont acclimatés.
    Toujours dans l'étude AWWARF, cinq méthodes d'élimination sont identifiées. On y trouve, par ordre décroissant d'utilisation :

    Méthode d'élimination
    Nombre de station
    Fraction des stations
    Rejet en eau de surface
    66
    48 %
    Rejet à l'égout
    32
    23 %
    Aspersion
    17
    13 %
    Réinjection en nappe profonde
    14
    10 %
    Evaporation en étang
    8
    6 %
    Total
    137
    100 %
    II est techniquement possible de concentrer la saumure d'OI par électrodialyse.
    Les volumes des solutions de nettoyage usées sont faibles en comparaison des volumes de concentrats. Le volume de solution dépensée pour le nettoyage mensuel d'un système d'OI spiralé ne dépasse pas 0,51 m3 de perméat (cf. Tableau suivant). Si le nettoyage s'effectue en deux temps, on peut mélanger les solutions acide et alcaline pour qu'elles se neutralisent l'une l'autre, avant le rejet.
    Fréquence de nettoyage (nombre/année)
    Solution de nettoyage utilisée (litre/m³ de perméat) Minimum Maximum
    2
    0.03 0.08
    4
    0.07 0.15
    12
    0.20 0.46
    52
    0.85 1.98
    Nota - Hypothèses : 2 étapes (acide et alcali), 80 à 190 l par module (8x40), flux de 20l/m²/h fonctionnement à 95%.



    Applications (Traitement global et Traitement spécifique).
    < Raccourcis pour le chapitre
     Traitement spécifique >
    Traitement global.
    Le développement de la nanofiltration (en Floride) est la première application des membranes à objectifs multiples. On l'a appelée "adoucissement par membranes" car l'objectif principal était de réduire la dureté de l'eau. Mais l'élimination de la couleur et des précurseurs de sous-produits de désinfection étaient aussi des objectifs importants. La dureté des eaux souterraines de Floride, souvent de plus de 30°F (300 mg/l CaCO3), peut être réduite de 80 à 95% grâce à la nanofiltration. L'élimination de la couleur est quasi-totale et l'abattement des précurseurs de plus de 95% (sources Taylor et al, 1992).
    L'ultrafîltration, la nanofiltration et l'osmose inverse ont été évaluées lors des premières études en Floride. Les résultats concernant lecarbone organique dissous (COD), montrent que l'abattement par UF n'est pas suffisant (seuil de coupure du poids moléculaire >1000 Daltons).
    Par ailleurs, l'OI n'offrait pas de meilleurs résultats que la NF, alors qu'elle avait des inconvénients: l'élimination de la dureté était trop grande et les coûts en énergie plus élevés.
    Il a été étudié dans plusieurs pays le traitement de l'eau douce par NF :


    • élimination de la couleur,
    • des précurseurs,
    • des micro-organismes pathogènes.
    Les progrès les plus importants ont été enregistrés en Norvège où, à la fin 1994, une vingtaine de petites stations, d'une capacité de 200 à 300 m3/]) avaient été construites.
    En France et en Hollande, on commence a utiliser à grande échelle les membranes, dans des stations de traitement des eaux de surface.
    Hollande :
    Les objectifs sont les suivants : réduire le niveau de sodium ou de chlorure, éliminer les pathogènes et les composés organiques synthétiques et réduire la solubilité du plomb, lors de l'adoucissement. (Schippers. 1995; rapport national).
    A la Station d'eau potable d'Amsterdam (le Rhin), on évalue l'OI comme étape finale du traitement, après un train conventionnel qui comprend: clarification, filtration sur sable, ozonation, filtration par charbon granulaire actif et filtration lente sur sable.
    A la Station d'eau potable de Hollande du Nord (lac Ijssel), on étudie l'utilisation de la MF ou de l'UF comme prétraitement à l'OI. Ces deux procédés par membranes suivraient un prétraitement conventionnel. Finalement, à la Station d'eau potable de la Hollande du Sud (la Meuse), on étudie la nanofiltration suivant un prétraitement conventionnel.
    France :
    La nanofiltration est utilisée à grande échelle depuis la mi-1992 pour le traitement de l'eau de l'Oise
    ( Sources : 
    plaquettes Méry-sur-OiseSEDIF/ VEOLIA EAU) :

    Filière de traitement.L'usine de Méry recourt donc à la filière de traitement de nanofiltration pour 70 % de sa production, les 30 % restants provenant de sa filière de traitement biologique utilisant le couplage "ozone-charbon actif".
    Deux filières autonomes (au total 340 000 m3/jour) :

    • filière membranaire par nanofiltration,
    • filière biologique.

    L'eau distribuée est le mélange des eaux produites par ces deux filières.


    Le principal objectif est d'éliminer le COD, et surtout le CODB et sa fraction biodégradable, afin d'obtenir une eau dont la demande en chlore est pratiquement nulle (élimination des goûts et odeurs, des sous-produits de désinfection), qui est stable dans le réseau de distribution.
    Mais également l'élimination :

    • des micro-organismes pathogènes,
    • des micro-polluants,
    • des produits phytosanitaires,
    • des sous-produits d'oxydation,
    • d'une partie de la dureté de l'eau.
    Les résultats basés sur une année d'opération sont présentés au tableau ci-après (Sources : Côté et al, 1993).
      Efficacité du traitement des eaux de surface par nanofiltration sur la station de traitementde Méry-sur-Oise
    Nota : station de 140 000 m3/], avec un prétraitement incluant clarification + filtration sur bicouches (sable+anthracite)
    Paramètres
    Eau filtrée sur sable
    Eau nanofiltrée
    % d'abattement
    Matières organiques
    -
    -
    -
    Carbone organique (dissous)
    3.6 mg/l
    0.4 mg/l
    89
    COD biodégradable
    1.1 mg/l
    < 0.1 mg/l
    > 91
    Absorbance 270 nm
    7.2
    0.3
    96
    Pesticides 
    -
    -
    -
    Atrazine
    0.70 µg/l
    0.07 µg/l
    90
    Simazine
    0.40 µg/l
    < 0.05 µg/l
    > 85
    Sous-produits de chloration
    -
    -
    -
    Potentiel de formation des composés organiques halogénés
    320 µg/l
    40 µg/l
    87
    Potentiel de formation de chloroforme
    72.8 µg/l
    3.0 µg/l
    96
    Sels dissous 
    -
    -
    -
    Dureté (en CaCO3)
    300
    50
    83
    Sodium
    19
    10
    47
    Nota : le COT de l'eau brute(Oise) varie de 2.5 à 5 mg/l, avec des "pointes" vers 11 mg/l.
    ----------------------
    Autre exemple d'usine incluant la nanofiltration :
    Schéma hydraulique de la station de JARNY (1995) 
    Nota : les procédés Opaline (Véolia) regroupe des membranes d'ultrafiltration avec un adsorbant (charbon actif ou résine échangeuses d'ions [polymère]).
    ------------------------
    Traitement spécifique
    Sulfates.

    Trois rapports nationaux décrivent des applications concernant l'élimination de concentrations élevées de sulfate (jusqu'à 1000 mg/l), dans les eaux souterraines pour la production d'eau potable. Van Craenenbroeck et Meeus (1995) ont fait des études pilotes sur l'OI et l'ED en Belgique. Il fallait adoucir l'eau d'alimentation pour prévenir l'entartrage, car les sulfates étaient associés aux ions de calcium. L'OI et l'ED enlevaient parfaitement les sulfates, mais elles éliminaient aussi trop d'ions monovalents. Les auteurs en ont conclu que la nanofiltration pouvait s'avérer plus performante. Des applications semblables en France où plusieurs stations de NF existent (ex : Jarny, Meurthe-et-Moselle).
    Ammoniaque. Une petite usine d'OI a été construite en Suède pour éliminer l'ammoniaque des eaux souterraines (Ericsson, 1995, rapport national).
    Arsenic. 
    La directive européenne 98/83/CE du 3 novembre 1998 fixe à 10 µg/l la concentration maximale, d'où l'intérêt suscité par les procédés à membranes. Kartinen et Martin ont présenté, en 1994, une étude comparée des procédés par précipitation, adsorption et membranes.
    La NF, tout comme l'OI, permettent tout aussi bien d'éliminer l'arsenic sous ses formes bivalente que pentavalente. L'ED est plus efficace pour enlever l'arsenic pentavalent, à condition de pouvoir effectuer une pré-oxydation. Les membranes permettent de mieux éliminer l'arsenic, tout en utilisant moins de produits chimiques. L'inconvénient majeur, par contre, est que l'on produit un déchet dans lequel l'arsenic est encore en solution et que l'on élimine en même temps les sels nécessaires.
    Fluor. Pontie et al (1994) ont évalué, dans une étude pilote, la NF et l'OI pour enlever le fluor des eaux souterraines. Ils rapportent qu'au Sénégal, le niveau de fluor des eaux souterraines peut atteindre 7 mg/l, alors que le niveau maximal en eau potable, à 25°C, est de 0,7 mg/l. Ils démontrent qu'en complexant le fluor avec de l'aluminium, on l'élimine plus efficacement.
    Nitrates. L'OI et l'ED sont utilisées à grande échelle pour enlever les nitrates. Une des premières analyses sur l'utilisation des procédés à membranes pour l'élimination des nitrates, (Rautenbach et al, 1986), démontre la simplicité de l'OI et sa capacité à enlever simultanément les particules et les composés organiques. Cependant, l'ED permet d'augmenter les taux de conversion et de minimiser les pré et post-traitements.
    Filteau et Rielly (1993) décrivent une station d'OI de 2000m3/] aux États-Unis, où le taux de rétention des nitrates est de 90% et où l'on reminéralise le perméat par mitigeage. Brunswick et al (1993) ont testé quatre membranes différentes dont le taux de rétention s'échelonnait entre 80 et 97%. Les membranes d'OI n'offrent pas toutes des performances égales.
    Prato et Parent (1993) ont passé en revue les installations existantes où l'on utilise le "reversai ED" pour enlever les nitrates. Ils décrivent quatre stations où l'élimination des nitrates varie de 67 à 93%. Il est aisé, en ED, de concevoir un système pour obtenir un pourcentage d'élimination spécifique. Dans tous les cas, l'élimination de tous les solides dissous (TDS) est du même ordre que l'élimination des nitrates. Chebi et Hamano (1994) ont présenté les résultats à échelle pilote d'une nouvelle membrane d'ED dont la sélectivité à l'égard des nitrates est excellente. Le tableau suivant montre qu'il est possible d'éliminer 80% des nitrates avec un taux de conversion de 95%. Le résultat est significatif sur deux plans. Tout d'abord, cette membrane permet d'éliminer les nitrates d'une eau à faible teneur en matières solides, sans avoir à la reminéraliser (pour la production d'eau potable); ensuite, l'élimination du calcium et du sulfate est faible, ce qui minimise les risques d'entartrage, à taux de conversion élevé.




    Efficacité de l'électrodialyse pour l'élimination des nitrates
    (adaptation faite de l'article de Chebi et Hamano, 1994)
    Alimentation (mg/l)
    Perméat (mg/l)
    Abattement (%)
    Cations
    Calcium, Magnésium Potassium, Sodium
    130, 50 4, 135
    40, 17 2, 112
    69%, 66% 50%, 17%
    Anions
    Bicarbonate, Chlorure Nitrate, Sulfate
    366, 150 80, 240
    40, 34 13, 229
    89%, 77% 84%, 5%
    Matières Solides Totales
    1156
    590
    49%

    Note : taux de conversion : 95%.





    Tendances.Les procédés à membranes se sont développés durant les 40 dernières années pour le dessalement de l'eau. A la fin 1993, il y avait, à travers le monde, plus de 7200 stations à membranes (capacité > 100 m3/jour), avec une capacité de traitement combinée de 7,2 Mm3/jour. Leur principal objectif est de produire de l'eau potable, ce qui concerne environ 18 millions de personnes.
    Les membranes d'osmose inverse, de nanofiltration et d'électrodialyse, de configurations et compositions chimiques différentes, sont vendues par plusieurs fabricants. Lors d'une étude concernant 38 fabricants, il a été recensé plus de 200 membranes sur le marché. La plupart des membranes sont vendues sous forme de modules plans et spirales. Cependant, plusieurs produits à fibres creuses et tabulaires sont aussi disponibles.
    Le domaine des membranes d'osmose inverse a atteint un stade de maturité, en ce qui concerne de nouveaux développements majeurs. La perméabilité, le taux de rejection des sels, la résistance au chlore et au colmatage peuvent être sujets à amélioration.
    La composition chimique des membranes (acétocellulose, polyamide aromatique) est du domaine publique et peut être utilisée par tous les fabricants. La concurrence devrait augmenter dans ce domaine, et tous les usagers devraient en profiter.On attend cependant plus d'innovation dans le domaine des membranes de nanofîltration.
    En électrodialyse, l'intérêt est de pouvoir éliminer une espèce mineure spécifique, le nitrate par exemple, sans avoir à faire traverser la membrane par tout le débit. Cependant, parce qu'elle se limite à l'élimination d'espèces ioniques à des concentrations relativement basses, l'ED s'est développée moins rapidement que l'OI.
    De plus en plus, on utilise l'osmose inverse et la nanofiltration pour leurs capacités d'élimination plus larges, dans les applications où le dessalement est secondaire. Enlever les microbes, les matières organiques dissoutes, les pesticides et la dureté en une seule opération, et sans produits chimiques, est le rêve de bien des professionnels du traitement de l'eau.
    Le potentiel de croissance le plus important est dans le traitement des eaux de mauvaise qualité, les eaux de surface dans des zones très peuplées, par exemple. Les projets les plus importants se trouvent en France et en Hollande. La nanofiltration semble particulièrement intéressante parce qu'elle permet d'éliminer en quasi-totalité les composés organiques synthétiques et naturels de l'eau douce, sans la déminéraliser complètement.
    Proédé en développement : désallement à haut débit par nanotubes de carbonne, 50 000 fois plus fin qu'un cheveu, soit 0,8 à 2 nanomètres 
    (8.10-7 mm à 2.10-6 mm).

    Nota - Filtration membranaire OTV : - différentes options : MF, UF, NF et OI,
    - Opaline™, combinant les technologies membranaires et l'adsorption sur charbon actif pour éliminer pesticides, carbone organique total (COT), perturbateurs endocriniens, microorganismes, turbidité, goût et odeurs.


    http://pravarini.free.fr/
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